基于单片机和DSP的被动声目标探测平台

1 引言

被动声目标的信息一般夹杂在复杂多变的环境噪声中，信噪比低。采用传统的目标探测，较难达到要求， 必须使用先进的检测、定向定位算法，然而这些算法的运算量都较大，实时实现有一定难度。数字信号处理器DSP的出现，使得先进算法的工程实时实现成为可能。但系统的体积、功耗和可靠性又成为主要问题。本系统采用TI公司的低功耗5000系列DSP和微功耗430系列单片机，采用主从式通用化体系结构设计，在满足系统功能要求的前提下，对系统的体积、功耗和可靠性做了很大的改进，特别适于在电池供电、功耗要求严格的设备中使用。另外，对系统提供了丰富的接口，可使其满足被动目标探测系统的不同要求。

2 系统的整体设计

目标探测通用平台的主要功能是目标信息的获取、检测、对目标位置信息进行相应的定位算法处理和后续控制。此平台主要由4个部分组成：信号采集模块、算法处理模块、系统控制模块和电源模块。平台的原理框图如图1所示。


系统的基本工作流程是在主控单片机的控制下，先对传感器来的信号进行调理，使之满足采样要求，再由DSP控制 A／D转换器对信号进行同步采样，把A／D转换后的结果送给数字信号处理器TMS320VC5509进行相应的算法处理，最后把处理结果传给主控机MSP430单片机，再由单片机去控制其他电路的工作。

其中，信号采集模块由4通道同步采样A／D转换器 THS1206组成，算法处理模块由低功耗的TMS320-C5000数字信号处理器组成，系统控制模块由微功耗的MSP430单片机来实现，电源模块主要由TPS73HD-3XX系列双电压调整器来实现对整个系统的电源管理，TMS320C5000数字信号处理器工作在从机模式下，系统电源管理和从机的工作情况由主控机MSP430单片机控制。

2.1 信号采集模块

模块采用TI公司的A／D转换器THS1206。THS1206是1个可编程12 bit CMOS低功耗4通道同步采样A／D转换器，最高转换速度是6 Msample／s，最大功耗216 mW，其速度、分辨率、带宽都非常适合较宽的应用方向。THS1206不需任何额外器件便可与DSP系统非常方便地进行连接。THS1206内有2个12 bit控制寄存器(0，1)，用来控制其工作方式(具体的工作方式可查阅参考文献[1])。一个完整的16 byte深先进先出(First In First Out，FIFO)存储器允许数据缓冲存储，减少了DSP中断的次数，提高了DSP的工作效率。内部参考电压范围为1.5 V和3.5V。THS1206和TMS-320VC5509的具体硬件连接图如图2所示。


THS1206和DSP是通过DSP的EMIF连接的，其转换时钟信号是由DSP的通用定时器(Timer)给出的，便于灵活设置不同的采样速率。TMS320VC5509在FULL_EMIF方式下时，C0是EMIF.ARE，C2是EMIF.AWE，C5是EMIF.CE1。而片选CS1接的是A13，所以THS1206在TMS320CV5509中的地址是CE1空间和A13为高的交集。在TMS320CV5509中CE1段，其字节地址是0x400000～0x800000，再要求A13为高，所以其地址是：(xxxx，xxxx，xx1x，xxxx，xxxx，xxxxB)∩(0x400000～0x800000)，则可以取字节地址为0x412000，对应的字地址是0x209000。

根据THS1206和TMS320VC5509的具体硬件连接电路，进行A／D接口初始化设置。THS1206的初始化可以查阅参考文献[1]，这里着重介绍一下DSP的接口初始化配置。TMS320VC5509中外部存储器有4个片选空间，并且都可以单独进行设置，设置的内容包括存储器类型、存储器宽度、读写时序参数等。根据DSP的系统时钟(笔者设定是80 MHz)和THS1206的读写时序要求，将片选控制寄存器CE1_1配置为：0x1009，即存储器类型是16 bit宽异步存储器，读建立时间为0个时钟周期，读选通时间为2个时钟周期，读保持时间为1个时钟周期；片选控制寄存器CE1_1配置为：0x0009，即读延长保持时间为0个时钟周期，写延长保持时间为0个时钟周期，写建立时间为0个时钟周期，写选通时间为2个时钟周期，写保持时间为1个时钟周期；片选控制寄存器CE1_1配置为：0x0001，即禁止超时功能，在该配置下，DSP可以可靠地与THS1206进行通信。

2.2 算法处理模块

本模块主要由核心处理器TMS320VC5509组成，它是TI推出的新一代低功耗高性能16 bit定点数字信号处理器，其工作主频可达到200 MHz，周期效率达到了C54X的2倍，且功耗只有C54X的1／6。它还提供了丰富的外设资源，其中包括1个外部存储器接口，实现了和异步存储器如EPROM，SRAM以及同步存储器等外部设备的无缝连接；3个全双工的高速多通道缓冲串口，DSP通过McBSP可以与其他DSP，编解码器等相连；另外的外设有通用串行总线，实时时钟，看门狗定时器，I2C总线，10bit ADC，多媒体卡控制器和通用输入输出接口等。在考虑充分利用DSP的外设资源的基础上，笔者设计了外扩功能完善的硬件平台，原理框图如图3所示。


基于所设计的信号处理硬件平台，设计完成了相应的驱动程序，包括：与信号采集模块连接的EMIF的接口程序，和系统控制模块通信的SPI程序，可以和PC相连的USB驱动程序，支持I2C的通信程序以及DSP集成的ADC的采样程序等。程序设计都采用模块化，便于应用程序的开发集成。基于上述软硬件平台，可以进一步开展后续开发，基本上可以满足各种目标探测算法的需求。

2.3 系统控制模块

系统控制模块主要由MSP430单片机来实现。MSP430系列是一个16 bit、具有精简指令集、超低功耗的混合型单片机，适于电池应用的场合或手持设备。笔者采用MSP430F149芯片，它集成的外设有：8通道12 bit ADC，2个具有3个捕获／比较寄存器的16 bit定时器、2通道串行通信接口(软件选择UART／SPI模式)等。基于MSP430单片机的具体外设资源，笔者设计了相应的系统控制模块硬件平台，原理框图见图4。


在上述的硬件平台中，MSP430单片机可以通过串行通信接口中的SPI模式和信号处理模块进行高速通信；可以通过串行通信接口0中的USART模式和PC机进行通信；可以通过串行通信接口1中的USART模式和姿态传感器TCM2进行通信，实时获取平台本身的姿态信息。另外笔者还把MSP430单片机的8通道ADC和2个16bit定时器全部外接出来，利用这些资源可以实现多种控制功能，比如可以实现信号采集模块的输入信号的前置调理和控制(以满足AD采样的要求)，传统的前置通道设计一般是模拟的或固定的，利用笔者所设计的平台，可以很方便地实现全数字化的前置通道控制(如程控滤波器和数字AGC等)。

基于所设计的硬件，开发出了相应的驱动模块，完成了MSP430单片机和信号处理模块的SPI通信程序、与PC进行串口通信程序和获取TCM2姿态信息的串口通信程序等。

2.4 电源模块

本模块主要由TPS73HD3XX系列双电压调整器和一些附加电路组成。具体的电路原理框图如图5所示。


从THS73HD3XX电压调整器出来的1.6 V和3.3 V电压经过由MSP430单片机P5.0口控制的开关电路再提供给DSP供电，而DSP的复位信号与MSP430单片机P1.0口相连。这种设计可以很方便地实现系统的电源控制，系统的功耗可以有效地进行控制，因为整个系统的功耗主要在DSP上，MSP430单片机的功耗很低，在不需要DSP工作的时候，可以适时地让其掉电，需要的时候再进行上电和复位。

3 系统调试和外场试验结果

在上述硬件模块及相应软件的基础上，对整个系统进行了调试。在已完成的平台上实现了自适应参量模型法定向定位算法，进行了消声室模拟缩比定向试验，俯仰角引起的距离相对误差为±3.8％，方位角引起的距离相对误差为±0.88％，算法的精度和处理的实时性达到了满意的结果。定向定位散布界面示意图如图6所示。


4 结束语

笔者完成了通用被动声目标探测平台的设计，其具有强大的外设扩展功能、电源控制，系统的平均功耗可控制到毫安级。由于采用高集成度的器件，电路板尺寸较小，为94mm×140mm，能满足实际运用的要求。接口驱动软件为应用系统设计提供了便利。整个软硬件平台通过了外场的实际测试，能满足系统设计的要求。

审核编辑黄宇